JPH04152316A - 走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は走査型顕微鏡、特に詳細には、送光光学系と受
光光学系とを試料台に対して相対移動させることにより
、照明光の走査を行なうようにした走査型顕微鏡に関す
るものである。

（従来の技術） 従来より、照明光を微小な光点に収束させ、この光点を
試料上において２次元的に走査させ、その際該試料を透
過した光あるいはそこで反射した光、さらには試料から
生じた蛍光を光検出器で検出して、試料の拡大像を担持
する電気信号を得るようにした光学式走査型顕微鏡が公
知となっている。なお特開昭６２−２１７２１８号公報
には、この走査型顕微鏡の一例が示されている。

従来の光学式走査型顕微鏡においては、上記走査機構と
して、照明光ビームを光偏向器によって２次元的に偏向
させる機構が多く用いられていた。

しかしこの機構においては、ガルバノメータミラーやＡ
ＯＤ　（音響光学光偏向器）等の高価な光偏向器が必要
であるという難点か有る。またこの機構においては、照
明光ビームを光偏向器で振るようにしているから、送光
光学系の対物レンズにはこの光ビームが刻々異なる角度
で入射することになり、それによる収差を補正するため
に対物レンズの設計が困難になるという問題も認められ
ている。特にＡＯＤを使用した場合には、対物レンズ以
外にもＡＯＤから射出した光束に非点収差が生ずるため
特殊な補正レンズが必要となり、光学系をより複雑なも
のとしている。

そこで、本出願人による特願平１−２４６９４６号明細
書に示されるように、送光光学系と受光光学系とを共通
の移動台に搭載し、この移動台を試料台に対して移動さ
せることにより、照明光光点の走査を行なうことが考え
られる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上述のような走査型顕微鏡においては、試料
の屈折率に応じて、あるいは光学系の経時変化により照
明光収束位置が光軸方向に変動するので、送光光学系と
受光光学系の少なくとも一方の対物レンズを光軸方向に
位置調整可能とすることが求められる。

しかし、先に述べたように光学系を試料台に対して相対
移動させて照明光光点を走査させる場合は、上記のレン
ズ位置調整を行なう機構を移動台に搭載すると、移動台
が重いものとなり、高速走査か不可能になってしまう。

また上述のようなレンズ位置調整機構を移動台に搭載し
ておくと、該移動台の高速往復移動のために、この機構
にいわゆるガタが生じて故障に至こともある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり
、対物レンズの光軸方向位置調整機能を備え、それに関
わる機構が故障し難く、その上、照明光の走査速度を十
分に高めることができる走査型顕微鏡を提供することを
目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明による走査型顕微鏡は、先に述べたように照明光
を試料上に照射する送光光学系および試料からの光を結
像させる受光光学系を移動台に搭載し、 この移動台を、試料台に対して相対的に移動させること
により、照明光を試料上において走査させる走査型顕微
鏡において、 上記両光学系の少なくとも一方の対物レンズを光軸方向
に移動可能に保持するとともに、上記移動台と別体に形
成され、上記対物レンズに＆（して光軸と直交する方向
に相対移動可能で、該対物レンズを試料台側から受け止
めて位置規定する基準板と、 この基準板を上記光軸方向に移動させる移動機構とを設
けたことを特徴とするものである。

（作　　用） 上述の構成においては、移動機構を作動させて基準板を
移動させることにより、対物レンズを光軸方向に位置調
整することができる。そして基準板が移動台と別体に形
成されていても、それを対物レンズに対して光軸と直交
する方向に相対移動可能としておけば、基準板は静置さ
せたまま移動台のみを動かして照明光の走査を行なうこ
とができる。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図は、本発明の第１実施例による透過型の共焦点走
査型顕微鏡を示すものである。図示されるように単色光
レーザ１０からは、照明光としてレーザビーム１１が射
出される。この照明光１１はビームコンプレッサ１２で
ビーム径が調整され、屈折率分布型レンズ１３で集光さ
れてシングルモード光ファイバー１４内に入射せしめら
れる。

この光ファイバー１４の一端は、移動台１５に固定され
た鏡筒１８ａに固定されており、該光フアイバー１４内
を伝搬した照明光１１はこの一端から出射する。この際
光ファイバー１４の一端は、点光源状に照明光１１を発
することになる。鏡筒１８ａには、コリメーターレンズ
１６および対物レンズ（コンデンサーレンズ）１７から
なる送光光学系１８が保持されている。また移動台１５
には、もう１つの鏡筒２１ａが固定されており、この鏡
筒２１ａには、対物レンズ１９および集光レンズ２０か
らなる受光光学系２１が保持されている。上記２つの光
学系１８．２１は、互いに光軸を一致させて固定されて
いる。また両光学系１８．２１の間には、移動台１５と
別体とされた試料台２２が配されている。

対物レンズ１７．１９は各々、鏡筒１８ａ％　２１ａに
対して光軸方向に移動可能に保持されている。そして、
各鏡筒１８ａ、２１ａの内周面に突設されたストッパ１
８ｂ、２１ｂと各レンズ１７．１９との間には、コイル
ばね１８Ｃ，２１ｃが縮装されている。こうして試料台
２２側に付勢された対物レンズ１７．１９は、それぞれ
光学ガラスからなる透明な基準板１．２によって受け止
められている。これらの基準板１．２はそれぞれ、架台
３２に固定された上下移動ステージ３．４に取り付けら
れてる 上記の照明光１１はコリメーターレンズ１６によって平
行光とされ、次に対物レンズ１７によって集光され、基
準板１を透過して、試料台２２に載置された試料２３上
で（表面あるいは内部で）微小な光点Ｐに収束する。

試料２３を透過した透過光１１°の光束は、基準板２を
透過し、受光光学系２１の対物レンズ１９によって平行
光とされ、次に集光レンズ２０によって集光されて、シ
ングルモード光ファイバー２４の一端から該光フアイバ
ー２４内に入射せしめられる。この光ファイバー２４の
上記一端は鏡筒２１ａに固定されており、またその他端
には屈折率分布型レンズ２５が接続されている。光フア
イバー２４内を伝搬した透過光１１°はピンホール板２
６を介して、例えば光電子増倍管等の光検出器２７によ
って検出される。

この光検出器２７からは、試料２３の明るさを示す信号
Ｓが出力される。

次に、照明光光点Ｐの２次元走査について説明する。上
記移動台１５と架台３２との間には、積層ピエゾ素子３
３が介装されている。この積層ピエゾ素子３３はピエゾ
素子駆動回路３４から駆動電力を受けて駆動し、移動台
１５を矢印Ｘ方向に高速で往復移動させる。この往復移
動の振動数は、例えば１０ｋＨｚとされる。その場合、
主走査幅を１００μｍとすると、主走査速度は、 １．０Ｘ１０３Ｘ１００　ＸＩＯ’　Ｘ２−２ｍ／ｓと
なる。なお、光ファイバー１４．２４は可撓性を有する
ので、それぞれ照明光１１、透過光１１’　を伝搬させ
つつ、移動台１５の振動を許容する。

一方試料台２２と架台３２との間には、積層ピエゾ素子
４７．４９が介装されている。積層ピエゾ素子４７はピ
エゾ素子駆動回路４８から駆動電力を受けて駆動し、試
料台２２をＹ方向（第１図の紙面に垂直な方向）に高速
で往復移動させる。それにより試料台２２は移動台１５
に対して相対移動され、前記光点Ｐが試料２３上を、主
走査方向Ｘと直交するＹ方向に副走査する。なおこの副
走査の所要時間は例えば１／２０秒とされ、その場合、
副走査幅を１００μｍとすると、副走査速度は、 ２０Ｘ１．００　ＸＩＯ″６−０．００２　ｍ／　５−
２ｍｍ／ｓ と、前記主走査速度よりも十分に低くなる。この程度の
副走査速度であれば、試料台２２を移動させても、試料
２３が飛んでしまうことを防止できる。

以上のようにして光点Ｐが試料２３上を２次元的に走査
することにより、該試料２３の２次元拡大像を担持する
連続的な信号Ｓが得られる。この信号Ｓは、例えば所定
周期毎にサンプリングする等により、画素分割された信
号とされる。

また、上端に上記副走査用積層ピエゾ素子４７を固定し
、下端が架台３２に取り付けられた積層ピエゾ素子４９
は、ピエゾ素子駆動回路５０から駆動電力を受けて駆動
し、試料台２２を保持した積層ピエゾ素子４７を、主、
副走査方向Ｘ、Ｙと直交する矢印Ｚ方向、（光学系１８
．２１の光軸方向）に移動させる。こうして試料台２２
をＺ方向に所定距離移動させる毎に照明光光点Ｐの２次
元走査を行なえば、合焦点面の情報のみが光検出器２７
によって検出される。そこで、この光検出器２７の出力
Ｓをフレームメモリに取り込むことにより、試料２３を
Ｚ方向に移動させた範囲内で、全ての面に焦点が合った
画像を担う信号を得ることが可能となる。

なおピエゾ素子駆動回路３４．４８および５０には、制
御回路３５から同期信号が入力され、それにより、光点
Ｐの主、副走査および試料台２２の光軸方向移動の同期
が取られる。

上述のようにして光点Ｐの主走査のために移動台１５す
なわち光学系１８．２１が往復移動される際、対物レン
ズ１７．１９はそれぞれ基準板１．２に対して摺動する
。これらの基準板１．２は前述した上下移動ステージ３
．４により、光学系１８．２１の光軸方向に微動され得
るようになっている。したがって、前述したような理由
で対物レンズ１７．１９の光軸方向位置を調整する必要
が生じた場合は、上下移動ステージ３．４を適宜操作す
ることにより、このレンズ位置を微調整することができ
る。

そして、基準板１．２および上下移動ステージ３．４は
移動台１５とは別体に形成されているから、移動台１５
がそれらのために重くなってしまうことがない。したが
って、前述したような高速で光点Ｐの主走査を行なうこ
とが可能となっている。また、上下移動ステージ３．４
が移動台１５と別体とされているから、これらのステー
ジ３．４が移動台１５の振動のために力を受けてガタを
生じる等の不具合も起こらない。

次に、第２図を参照して本発明の第２実施例について説
明する。なおこの第２図において、前記第１図中の要素
と同等の要素には同番号を付し、それらについての重複
した説明は省略する（以下、同様）。

この第２実施例において、受光光学系２１の対物レンズ
１９は固定とされている。またこの対物レンズ１９の側
の基準板２も、固定台５を介して架台３２に固定されて
いる。したがって対物レンズ１９は光軸方向に位置調整
不可能であり、受光光学系２１において送光光学系１８
側と同等の状態を設定するためのみに配設されている。

この場合、試料の光軸方向の移動機構および送光光学系
側の基準板の移動機構の双方の調整により、第１実施例
と同様な効果が得られる。

なお以上説明した各実施例においては、レンズ１６．１
７．１９および２０として球レンズが用いられているが
、本発明においては、この球レンズに限らず、その他の
形状のレンズも適宜選択使用可能である。また、対物レ
ンズ１７、基準板１．２および対物レンズ１９の間にお
いては、レンズ１７．１９の収差が考慮されていること
が望ましい。

次に第３図以下を参照して、対物レンズの保持機構の別
の例について説明する。なお以下の説明は、送光側の対
物レンズ１７を例に挙げて行なうが、これらの機構は第
８および９図図示のもの以外は、下側の受光光学系２１
の対物レンズ１９に対しても適用可能である。

第３図の機構においては、前述したコイルばね１８ｃに
代えて板ばね６０が用いられ、対物レンズ１７はこの板
ばね６０により基準板１に押し当てて位置規定されてい
る。

第４図の機構においては鏡筒１８ａが、外筒１８ｆとそ
の内部で摺動可能な内筒１Ｂｇとからなる二重筒構造さ
れている。そして対物レンズ１７を固定した内筒１８ｇ
は、気密性と柔軟性とを備えた保持部材６１により、全
周に亘って外筒１８ｆに保持されている。この保持部材
６１としては、ゴム、ビニールからなるもの、あるいは
蛇腹構造のもの等が用いられる。鏡筒１８ａ内にはガス
か封入されて、鏡筒内圧力が大気圧よりも高く設定され
ている。なお外筒１８ｆには、逆止弁６２が組み込まれ
たガス封入孔６３が設けられ、このガス封入孔６３と、
それに整合する内筒１８ｇのガス封入孔６４とを通して
ガスが封入される。

この構成においては、封入されたガスの圧力により内筒
１ｇｇが付勢され、対物レンズ１７が基準板１に弾力的
に押し当てられて、位置規定される。

第５図の機構においては、鏡筒１８ａの内周面に形成さ
れた突起１８ｈに接着剤６５を用いて環状のゴム等の弾
性部材６Ｂが固定され、そしてこの弾性部材６６に接着
剤６５を用いて対物レンズ１７が固定されている。この
構成においては、弾性部材６６の作用で対物レンズ１７
が基準板１に弾力的に押し当てられて、位置規定される
。

なお、上記の接着剤６５として、乾燥後も光軸方向の弾
力性が十分に高いものを用いれば、弾性部材６６を用い
ずに、この接着剤６５で対物レンズ１７を直接突起１８
ｈに接合してもよい。対物レンズ１７の光軸方向位置調
整ストロークは、通常は数十μｍ程度確保されれば十分
であるから、上述のようにしても実用上支障は生じない
。

第６図の機構においては鏡筒ｔＳａが、外筒１８ｆとそ
の内部で摺動可能な内筒１８ｇとからなる二重筒構造さ
れている。そして対物レンズ１７を固定した内筒１８ｇ
は、着磁性材料から形成されて着磁されている。一方基
準板１には、磁石６７が組み込まれている。この磁石６
７としては、永久磁石、電磁石のいずれが用いられても
よい。

上記の構成においては、磁石６７によって内筒１８ｇが
常に基準板１に吸着されて位置規定される。

そして照明光光点Ｐの主走査時には、内筒１８ｇが（つ
まり対物レンズ１７カ９基準板１に対して主走査方向に
相対移動することも許容される。

第７図の構成において内筒１８ｇは、フランジ部１８ｊ
を有する形状とされている。一方基準板１には、配管７
０を介してブロア等の空気供給源７１に接続される空気
通路７２が形成されている。この空気通路７２は、上記
のフランジ部１８ｊに下側から対向する位置において、
基準板１の上面に開口されている。内筒１８ｇには自重
により下向きの力が加わるが、空気供給源７１から圧送
された空気が空気通路７２から噴出するので、内筒１８
ｇはこの空気をフランジ部１８ｊで受けて、一定の高さ
位置に規定される。

したがって、基準板１が上下方向に移動されれば対物レ
ンズ１７が光軸方向に位置調整される。そして照明光光
点Ｐの主走査時には、内筒１８ｇが（つまり対物レンズ
１７が）基準板１に対して主走査方向に相対移動するこ
とも許容される。

第８図の機構においても、外筒１８ｆ内において上下方
向に摺動自在に内筒１８ｇが設けられ、対物レンズ１７
はこの内筒１ｇｇに固定されている。内筒１８ｇには自
重により下向きの力が加わり、よって対物レンズ１７が
基準板１に当接して位置規定される。

第９図の機構においても、対物レンズ１７が第８図のも
のと同様の内筒１８ｇに固定されている。そしてこの内
筒１ｇｇは、ゴム等の弾性部材７６の上端が接着され、
該弾性部材７６の下端は基準板１に接着されている。こ
の弾性部材７６は、光軸方向（矢印Ｚ方向）の弾性は非
常に低い半面、主走査方向（矢印Ｘ方向）の弾性は極め
て高く形成されている。

したがって、基準板１が上下方向に移動されることによ
り、対物レンズ１７の光軸方向位置が調整される。一方
照明光光点Ｐの主走査時には、弾性部材７６が弾性変形
して、鏡筒１８ａが基準板１に対して相対移動すること
が可能となる。

以上、対物レンズ１７のみを位置調整する機構について
説明したが、この位置調整のために、コリメーターレン
ズＩ６も含めて送光光学系１８全体を（例えば第１図の
装置ならば鏡筒１８ａ全体を）光軸方向に移動させるよ
うにしてもよい。これは受光光学系２１側についても同
様である。

また第１図の装置のように、対物レンズ１７．１９の各
々に光軸方向位置調整機構を設ける場合は、前述したよ
うに試料台２２を光軸方向に移動させる手段（第１図の
実施例では積層ピエゾ素子４９）を省いて、その手段が
果たす作用を、このレンズ位置調整機構によって得るこ
とも可能である。そして、上記対物レンズの光軸方向位
置調整機構の駆動をフォーカス信号に基づいて制御する
ことにより、オートフォーカス機能を付与することも可
能である。

また、第１図および第２図の実施例では、送光光学系１
８、受光光学系２１にそれぞれ光ファイバ１４．２４を
接続しているが、照明光光源として半導体レーザ等の小
型のものを、光検出器２７としてフォトダイオード等の
小型のものを用い、それらを移動台１５に直接固定して
、装置の小型化を図ることもできる。

さらに、試料台２２を移動させることによって光点Ｐの
副走査を行なう代わりに、移動台１５を移動させること
によって光点Ｐの副走査を行なうようにしてもよい。ま
た移動台１５や試料台２２の移動は、積層ピエゾ素子を
利用して行なう他、例えば音叉、ボイスコイルあるいは
超音波による固体の固有振動を利用した走査方式等を用
いて行なうことも可能である。

また、以上、透過型の共焦点走査型顕微鏡に適用された
実施例について説明したが、本発明は反射型の共焦点走
査型顕微鏡にも、さらには共焦点型以外の走査型顕微鏡
にも適用可能である。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明の走査型顕微鏡は、移動
台において対物レンズを光軸方向に移動可能に保持した
上で、この対物レンズを、移動台とは別体の基準板によ
って受け止めて位置規定し、この基準板を移動機構によ
り移動させて対物レンズを光軸方向に位置調整するよう
に構成したので、移動台を小型軽量に保って高速走査を
実現でき、また該移動台の振動を受けて上記基準板の移
動機構が故障しやすくなることも確実に防止可能となる
。

さらに本発明の走査型顕微鏡においては、上記構成によ
り対物レンズを最適位置に調整可能であることに加えて
、対物レンズが移動台外の基準板によって位置規定され
つつ照明光走査のために移動する構造となっているので
、この走査時に対物レンズが光軸方向にぶれることも防
止でき、よって定量性や鮮鋭度の高い優れた顕微鏡像を
撮像可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図はそれぞれ、本発明の第１実施例、第２
実施例による走査型顕微鏡を示す概略側面図、 第３．４．５．６．７．８および９図はそれぞれ、本発
明に用いられる対物レンズ保持機構の別の例を示す立断
面図である。 １．２・・・基準板　　　３．４・・・上下移動ステー
ジ１０・・・単色光レーザ　　１１・・・照明光１１゛
　・・・透過光　　　　１２・・・ビームコンプレッサ
１３．２５・・・屈折率分布型レンズ １４．２４・・・光ファイバー １５・・・移動台　　　　　１Ｂ・・・コリメーターレ
ンズ１７．１９・・・対物レンズ　１８・・・送光光学
系Ｌ８ａ、２１ａ・・・鏡筒　　２０・・・集光レンズ
２１・・・受光光学系　　　２２・・・試料台２３・・
・試料　　　　　　２７・・・光検出器３２・・・架台
　　　　　３３．４７．４９・・・積層ピエゾ素子３４
．４８．５０・・・ピエゾ素子駆動回路３５・・・制御
回路　　　　６０・・・板ばね６１・・・保持部材　　
　　６２・・逆止弁６３・・ガス封入孔　　　６５・・
・接着剤６６．７６・・弾性部材　　６７・・・磁石７
０・・・配管　　　　　　７１・・・空気供給源７２・
・・空気通路 第 図 第３ 図 弔 図 第４ 図 弔 図 第８図 第７図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 照明光を試料上に照射する送光光学系および試料からの
   光を結像させる受光光学系を移動台に搭載し、 この移動台を、試料が載置される試料台に対して相対的
   に移動させることにより、前記照明光を試料上において
   走査させる走査型顕微鏡において、前記両光学系の少な
   くとも一方の対物レンズが光軸方向に移動可能に保持さ
   れるとともに、前記移動台と別体に形成され、前記対物
   レンズに対して光軸と直交する方向に相対移動可能で、
   該対物レンズを試料台側から受け止めて位置規定する基
   準板と、 この基準板を前記光軸方向に移動させる移動機構とが設
   けられたことを特徴とする走査型顕微鏡。